Direct3D9的绘制流水线

Direct3D的渲染过程大致可以分为以下几步

渲染流水线示意

0. 模型表示

所有的三维实体都可以由有限的三角形mesh来逼近地表示

  • D3D绘制图形的最小单位（图元）通常为三角形mesh，但D3D也支持点图元和线图元（例如用于粒子系统）
  • 为了描述一个三角形mesh，我们需要一个顶点列表，D3D中的顶点和数学上的顶点有所区别，除了数学上顶点所有的位置信息外，D3D的顶点还包含了光照，颜色，法向量等信息，这些信息可以由用户自由组织，即FVF(灵活顶点格式)
#define COLORED_VERTEX D3DFVF_XYZ | D3DFVF_DIFFUSE
struct COLORED_VERTEX
{
	FLOAT _x, _y, _z;
	DWORD _color;
}

#define NORMAL_TEXED_VERTEX D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL | D3DFVF_TEX1
struct normalTexedVertex
{
	FLOAT _x, _y, _z;
	FLOAT _nx, _ny, _nz;
	FLOAT _u, _v;
}
  • 需要注意的是，FVF宏的定义顺序必须和顶点结构体中相应变量的顺序保持一致

1. 顶点缓存和索引缓存
cube Vertex
可以通过这样一个顶点数组来描述以上图形

Vertex rect[6] = { {v0, v1, v2,},
				   {v0, v2, v3,}};

不难发现，这样有一些顶点是被重复缓存的，这样在处理较复杂场景时，会有大量顶点被重复缓存，造成空间的浪费，因而我们进一步采用索引缓存来解决这一问题

  • 索引缓存即把所有顶点放在一个缓存中，再通过每个顶点的下标来访问这些顶点，如此可以避免顶点的重复缓存，于是上图可以描述为
Vertex vertices[4] = {v0, v1, v2, v3,};
DWORD indexes[6] = { {0, 1, 2,},
					 {0, 2, 3,},};
  • 顶点缓存中，顶点的绕序不是随便定义的，在后面的背面消隐过程中会使用顶点的绕序作为操作的参考，因此在定义顶点缓存或索引缓存时需要注意绕序的问题

2. 摄像机
摄像机用于指定一个三维场景中的可见区域，视角(FoV)，近裁剪面和远裁剪面构成的平头锥体即可视区，这个区域内的三维场景最终会被投影到投影面上，D3D中，投影面被定义为z=1的平面。

3. 局部坐标(Local space)
局部坐标描述了一个三维模型各个顶点的相对位置，使用局部坐标时不用考虑位置，大小，朝向等问题，有利于简化建模过程，大多数模型开始就处于局部坐标系中。

4. 世界坐标系(World Space)
作为一个三维场景，必须要处理各个场景物体的大小，相对位置，朝向等一系列问题，因而需要一个统一的坐标系，即世界坐标。
D3D的变换可以由IDirect3DDevice9::SetTransform方法实现，第一个参数表示变换类型，世界变化适用D3DTS_WORLD，第二个参数即相应的世界变换矩阵。 要注意的是，对于三维场景中的不同物体，世界变换矩阵并不一定相同。

//一个世界变换(平移变换)的例子
D3DXMATRIX objWorldMatrix;
D3DXMATRIXTranslation(&objWorldMatrix, 3.0f, 0.0f, 2.0f);

Device->SetTransform(D3DTX_WORLD, &objWorldMatrix);

drawObj();

5. 观察坐标系(View Space)
在三维场景中，几何体和摄像机是相对于世界坐标系定位的，为了简化运算，我们将摄像机平移到世界坐标远点的位置，朝向和世界坐标z轴正方向重合，为了保持摄像机视场的固定，场景中的其他物体也必须和摄像机进行同样的变换，这种变换即取景变换，变换后的物体位于观察坐标系内

View Space Transform

  • 取景变换的矩阵由D3DXMatrixLookAtLH函数计算得到
D3DXMATRIX *D3DMatrixLookAtLH(D3DXMATRIX *pOUt,
				   const D3DXVECTOR3 *pEye,
				   const D3DXVECTOR3 targetPoint,
				   const D3DXVECTOR3 *pUp);
  • pEye指定摄像机在世界坐标系中的坐标
  • pAt指定摄像机观察点在世界坐标系中的坐标
  • pUp定义了世界坐标系中“上”方向

6. 背面消隐
每个多边形都有朝向摄像机的一面和偏离摄像机的一面，因为摄像机不能进入场景中实体的内部，所以摄像机不可能观察到多边形的背面，因此我们在绘图时可以将多边形的背面删除，以改善性能，这一过程即背面消隐

  • 为了实现北面消隐，D3D需要区分哪些多边形是正面朝向摄像机的，哪些是背面朝向摄像机的，默认情况下，D3D将观察坐标系中顶点绕序为顺时针的mesh认为是正面朝向的，反之认为是背面朝向的进行消隐，这一默认值可以修改RenderState的D3DRS_CULLMODE来改变
Device->SetRenderState(D3DRS_CULLMODE, Value);
  • value取值如下
    • D3DCULL_NONE 禁用背面消隐
    • D3DCULL_CW 对顺时针绕序的三角形mesh进行消隐
    • D3DCULL_CCW 对逆时针绕序的三角形mesh进行消隐

7. 光照
光源和几何体一样经过多次变换变换到观察坐标系内，可以通过固定功能流水线和可编程流水线实现光照

8. 裁剪
视域体决定了一个几何体是否会出现在摄像机的视场中，裁剪过程会将视域之外的几何体剔除以改善性能

  • 裁剪有三种情况，取决于几何体和视域体的关系
    • 几何体完全在视域内部，保留并送入下一阶段处理
    • 几何体完全在视域外部，直接剔除
    • 几何体部分在视域内部，部分在外部，将几何体拆分成两部分，视域外的部分丢弃，视域内的部分被保留并送入下一阶段处理

9. 投影

在观察坐标系中获取3D场景的2D表示这一过程叫投影，投影有多种方式，我们使用透视投影，用于使用2D图象表示3D场景，使用下列函数创建投影矩阵

D3DXMATRIX *D3DXMatrixPerspectiveFovLH（
						D3DXMATRIX *pOUT， //returns matrix
						FLOAT fovY, //vertical field of view
						FLOAT AspectRatio， //width/height
						FLOAT zn， //distance to near panel
						FLOAT zf //distance to far panel
						)；
  • 其中AspectRatio用于修正投影窗口和显示屏纵横比不同造成的畸变

10. 视口变换
视口变换是将顶点坐标从投影窗口变换到屏幕上的一个矩形区域中，视口指的就是这个矩形区域

  • D3D中，视口用D3DVIEWPORT9结构体表示
typedef struct D3DVIEWPORT9
{
	DWORD x;
	DWORD y;
	DWORD width;
	DWORD height;
	DWORD minZ;
	DWORD maxZ;
}D3DVIEWPORT9;
  • 一但填充好D3DVIEWPORT9结构，可以用下列方式设置视口，设置好视口后，D3D会自动为我们完成视口变换
D3DVIEWPORT9 vp = {0， 0， 640 ，480， 0， 1}；
device->SetViewport(&vp);

11. 光栅化

顶点坐标转换为屏幕坐标后，我们就有了一个在二维平面上的三角形列表，光栅化就是为屏幕上每个像素计算颜色值，以绘制这些三角形

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